Komplexní řešení založené na mikroprocesorové ochraně pro velké generátory

1. Přehled

S vývojem elektrických systémů směrem k vyšším parametrům, větší kapacitě a složitějším strukturám sítí je bezpečné a stabilní fungování výrobních jednotek klíčové pro celkovou spolehlivost sítě. Tradiční relé ochranná zařízení čelí problémům jako jsou slepé zóny a nedostatečná citlivost při řešení komplexních vnitřních poruch generátoru. Toto řešení využívá pokročilou mikroprocesorovou ochrannou technologii, integruje vícezdrojové informace a inteligentní algoritmy, aby poskytlo rychlý, spolehlivý a komplexní ochranný systém pro velké generátory (např. tepelné, jaderné a vodní jednotky). Cílem je úplně odstranit ochranné slepé zóny a zajistit bezpečnost aktiv elektrárny.

2. Klíčové výzvy

Velké generátory se během provozu setkávají s mnoha hrozbami vnitřních poruch, včetně:

• ​Poruchy statorového vinutí: fázové krátké spojení, meziovinové krátké spojení a zemní poruchy. Zvláště meziovinová krátká spojení mají nízké počáteční proudy poruch, což je dělá obtížně detekovatelné tradiční transverzální diferenciální ochranou kvůli inerčním slepým zónám.
• ​Poruchy rotorového obvodu: jednobodové zemní poruchy, dvoubodové zemní poruchy a otevřené nebo zkrácené obvody v excitačním obvodu. Ačkoli jednobodová zemní porucha umožňuje pokračovat v provozu, její postup na dvoubodovou zemní poruchu může způsobit magnetickou asymetrii a závažnou vibraci jednotky.
• ​Nepřirozené pracovní podmínky: reverzní výkon, ztráta excitace, přetěžování, přetlak a frekvenční anomálie. Ačkoli nejsou okamžité poruchy, tyto podmínky mohou způsobit závažné poškození generátoru nebo ohrozit stabilitu sítě.

3. Detailejší řešení

Naše mikroprocesorové ochranné řešení využívá hierarchickou distribuovanou architekturu. Centrální ochranné relé integruje robustní hardwarovou platformu s dozrávajícími ochrannými algoritmy, jak je uvedeno níže:

3.1 Pro meziovinová krátká spojení statoru: vícekriteriální kompozitní ochrana

Pro odstranění nesensitivnosti tradiční transverzální diferenciální ochrany vůči meziovinovým krátkým spojením ve stejné fázi toto řešení používá vícekriteriální fúzní rozhodovací algoritmus, který výrazně zlepšuje spolehlivost a citlivost detekce.

• ​Technické principy:
• Kritérium směru negativní sekvence výkonu: Monitoruje negativní sekvenci proudu a napětí na terminálech generátoru pro výpočet směru negativní sekvence výkonu. Vnitřní asymetrické poruchy (např. meziovinová krátká spojení) generují zdroj negativní sekvence, s výkonem směřujícím od generátoru k systému, což umožňuje přesnou detekci vnitřních poruch.
• Kritérium změny třetiny harmonického napětí: Sleduje poměr amplitud a fázový rozdíl mezi neutrálním a terminálním třetinovým harmonickým napětím. Meziovinová krátká spojení ruší inerční rozdělení třetiny harmonického napětí, na které je toto kritérium vysokosensitivní.
• Kritérium výměry neutrálního bodu: Slouží jako pomocné posílení pro zlepšení spolehlivosti.
• ​Výhody výkonu:
• Vysoká citlivost: Schopna detekovat malá meziovinová krátká spojení až 0,5 %.
• Rychlá operace: Čas plné operace pod 20 ms, což výrazně omezí poškození poruchou.
• Vysoká spolehlivost: Několik kritérií interaguje nebo funguje paralelně, aby se zabránilo nesprávnému chování a selhání.
• ​Případová studie: Po implementaci v 500 MW uhlíkovém generátoru dosáhlo řešení 98 % citlivosti při detekci meziovinových krátkých spojení, úspěšně předcházející závažným shoření způsobeným menšími vadami izolace.

3.2 Pro 100% ochranu statoru před zemními poruchami: fúze dvou technologií

Tradiční základní nulové sekvence napětí ochrany má slepé zóny blízko neutrálního bodu. Toto řešení kombinuje dvě dozrávající technologie, aby dosáhlo 100% pokrytí od terminálů až k neutrálnímu bodu.

• ​Technické principy:
• Tradiční zóna (85-95%): Používá metodu poměru třetiny harmonického napětí pro ochranu většiny statorového vinutí od neutrálního bodu k terminálům.
• Kompensace slepé zóny (blízko neutrálního bodu, 5-15%): Používá injekční statorovou ochranu před zemními poruchami. Nízkofrekvenční (20 Hz nebo 12,5 Hz) signál napětí je injikován do rotorového obvodu a sledují se změny injekčního proudu pro přesný výpočet odporu izolace a umístění poruchy, což úplně eliminuje slepé zóny blízko neutrálního bodu.
• ​Výhody výkonu:
• 100% pokrytí: Bez slepých zón, zajistí kompletní ochranu statorového vinutí.
• Přesné lokalizace: Přesně určuje místo zemní poruchy pro cílenou údržbu.
• ​Případová studie: V jaderné elektrárně řešení úspěšně lokalizovalo zemní poruchu pouze 3 % od neutrálního bodu s chybou méně než 1 %, umožňující plánovanou údržbu a zabránění neočekávaným výpadkům.

3.3 Pro zdraví rotorového obvodu: dynamické monitorování a rané varování

Poruchy rotorového obvodu, zejména otevřené rotující diody, jsou běžné skryté nebezpečí. Toto řešení se posouvá od "ochrany po poruše" k "varování před poruchou" prostřednictvím reálného času monitorování.

• ​Technické principy:
• Vysokofrekvenční transformátory proudu (CT) nebo speciální moduly monitorování instalované na slipringech shromažďují reálné vlnové formy excitačního proudu.
• Vestavěné algoritmy provádějí rychlou Fourierovu transformaci (FFT) harmonické analýzy proudu.
• Otevřené rotující diody způsobují závažnou deformaci vlnové formy excitačního proudu, což výrazně zvyšuje charakteristické harmoniky (např. páté harmoniky).
• ​Výhody výkonu:
• Rané varování: Vyvolá upozornění na základě obsahu harmonik překračující limity (např. páté harmoniky přes 8 %), což vedlo k kontrole rotujícího vodiče před vznikem poruchy.
• Prevence eskalace: Včasné upozornění prevenci závažných nehod, jako je poškození izolace ztrátou excitačního proudu a přehřívání rotoru.
• Údržba na základě stavu: Poskytuje klíčová data pro prediktivní údržbu.

4. Shrnutí a hodnota

Toto mikroprocesorové ochranné řešení integruje pokročilou senzorovou technologii, algoritmy zpracování signálů a vícekriteriální inteligentní rozhodování, aby vyřešilo tradiční bolestné body ochrany generátoru:

• Eliminuje ochranné slepé zóny, dosahující 100% pokrytí pro meziovinová krátká spojení a zemní poruchy statoru.
• Transformuje ochranu po poruše na varování před poruchou, efektivně prevenci poruch prostřednictvím dynamického monitorování rotoru.
• Validováno reálnými případy, řešení nabízí vysokou citlivost, rychlost a spolehlivost, splňující bezpečnostní požadavky velkých a velmi velkých generátorů (500 MW a více).